(57)【要約】【課題】振動の多い建築物や乗り物の歪みを計測するために用いられる数百個のＦＢＧセンサーを１本の光ファイバーに自動連続的に製造する装置を提供する。【解決手段】装置をＦＢＧ書き込み用の近紫外線レーザー５と、光学ミラー６、光学レンズ３、アパーチャー４、位相マスク２等からなる照射光学系と光ファイバー１の自動送り装置７にて構成する。近紫外線レーザーには波長λ＝３２０〜３６０ｎｍの波長のレーザーを用いる。例えば、波長λ＝３３４ｎｍのＡｒイオンレーザーやλ＝３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを使用する。また半導体レーザーと非線形光学結晶とを組み合わせて３２０〜３６０ｎｍの近紫外線を作ることができる。出力は数百ｍＷ〜数Ｗ程度である。レーザーには連続光とパルス光があるが、光ファイバーの被覆を傷つけない連続光を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーの周囲を保護している被覆を構成する紫外線樹脂層の透過が可能な近紫外線レーザーを備えてなることを特徴とするＦＢＧ製造装置。
【請求項２】
近紫外線レーザーの波長が３２０〜３６０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のＦＢＧ製造装置。
【請求項３】
光ファイバーの挿引速度が１０ｍ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＦＢＧ製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動の多い建築物や乗り物の歪みを計測するために用いられる数百個のＦＢＧセンサーを１本の光ファイバーに自動連続的に製造する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＢＧ（ファイバー・ブラック・グレーティング）は、水素処理を行った光ファイバー又はボロンを添加した光ファイバーに２光束干渉法、位相マスク法などの公知の方法を用いて、光ファイバーの側面より光ファイバーの長手方向に沿って所定の周期で紫外線を照射することによって製造される。
【０００３】
光ファイバーのコア部分にはゲルマニウムが添加されているが、紫外線を照射すると、照射部分の屈折率が変化する。ある特定の周期の領域で照射を行うと、照射部分でのみ屈折率が変化しグレーティングが形成される。グレーティングの周期を波長程度にすると、ある特定の波長の光を反射することができる。これをＦＢＧという（図６参照）。そして、光ファイバーに水素又はボロンを添加することにより屈折変化を増大させることができる。
【０００４】
ＦＢＧを歪みセンサーとして使用する際は、ＦＢＧを製造（以下、ＦＢＧ書き込むという）した光ファイバーを被測定物である構造物に装着し、光ファイバーに光を入射する。入射する光の波長はＦＢＧの反射波長を中心としてある程度の波長範囲で広がっている。構造物が歪むとＦＢＧを書き込んだ部分に張力や応力がかかる。これによりＦＢＧの周期間隔がわずかに長くなるかまたは短くなる。その結果、反射する光の波長がわずかに変化する。その変化から構造物の歪みを計測することができる。
【０００５】
ところで、２光束干渉法を用いてＦＢＧを書き込む場合、装置を構成する光学系が振動に弱いため、生産に不安がある。しかし、位相マスク法ではこの問題は無く、これが今日、ＦＢＧ製造において最も多く用いられている方法である（図５参照）。そして現在では所望の波長帯域幅を有するＦＢＧを安定且つ安価に量産することができる製造装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７４６０号公報
【特許文献２】特開２００５−８４５２４号公報
【非特許文献３】平成１２年２月発行の三菱電線時報（４９〜５３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、２光束干渉法や位相マスク法を含めて、いずれの方法も図４ａに示すように、ＦＢＧを製造する際、光ファイバーを保護している被覆を除去してから紫外線を照射し、その後、被覆を再度コーティングする工程（リコート）が不可欠であった。被覆を除去せずにＦＢＧを製造しようとしても、光ファイバーを保護している被覆が紫外線硬化樹脂でできているため、紫外線を吸収してしまい光ファイバーのコアまで達しない。そのため、ＦＢＧは書き込めない。
【０００８】
また、一度被覆を除去するため、曲げや引っ張りに対する機械的強度が減少する欠点があった。さらに、工程が複雑になるため量産に支障をきたし、また、１本の光ファイバーに数百個のＦＢＧを自動的に書き込むことは困難であった。リコートを自動的に行う装置（例えば、特許文献２参照。）が開発されているものの、上記の問題は以前未解決であった。
【０００９】
被覆を除去せずに被覆の上から紫外線を照射してＦＢＧを書き込むことが可能な光ファイバーも開発されている（非特許文献３参照。）。この光ファイバーの被覆は紫外線を透過する樹脂を用いている。しかし、ＦＢＧセンサーとして用いる場合、被覆部分とガラス部分の密着が弱いためにずれることが判っており、歪みセンサーとして用いることができない。また、この光ファイバーは極めて高価で、実用に供するには困難である。
本発明は上記課題を解決するために、光ファイバーの被覆を除去することなく、被覆の上からレーザー光を照射しＦＢＧを書き込むことができるＦＢＧ製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明のＦＢＧ製造装置は、光ファイバーの周囲を保護している被覆を構成する紫外線樹脂層の透過が可能な近紫外線レーザーを備えてなることを第１の特徴とする。また、近紫外線レーザーの波長が３２０〜３６０ｎｍであることを第２の特徴とする。さらに、光ファイバーの挿引速度が１０ｍ／ｍｉｎ以上であることを第３の特徴とする。
【００１１】
光ファイバーの被覆の主成分は紫外線硬化樹脂である。紫外線硬化樹脂は紫外線を吸収するため、紫外線を使用してＦＢＧを書き込むためには、この被覆を一度除去する必要がある。一方、波長３２０〜３６０ｎｍ程度の近紫外線ではその大部分が透過するので被覆を除去することなくＦＢＧを書き込むことができる。
【００１２】
光ファイバーのコアを形成しているゲルマニウムを添加した石英ガラスの吸収スペクトルを図３に示す。光ファイバーのコア部分は石英ガラスにゲルマニウムを３〜５％程度添加している。その結果、波長２００〜２７０ｎｍでは非常に大きな吸収を示す。一方、波長３２０〜３６０ｎｍの領域でも小さいながらも吸収を示す。そのため近紫外線（波長３２０〜３６０ｎｍ）を光ファイバーに照射すると、紫外線（波長２００〜２７０ｎｍ）よりも効率が悪いものの、屈折率変化を引き起こす。
【００１３】
屈折率変化の程度は、紫外線が最大１×１０−２程度なのに対し、近紫外線ではクローマスクローニッヒの原理から１×１０−４〜１×１０−５程度であると見積もることができる。このため被覆を除去することなく、被覆の上から近紫外線を照射することによりＦＢＧを製作することができる。
【００１４】
計算によると８．５×１０−５の屈折率が変化した場合、長さ１０ｎｍのＦＢＧによって反射される割合は、３．１ｄＢ程度であり、歪みセンサー用として使用することは十分に可能である（図２参照）。近紫外線を照射するレーザー装置としては、波長３３４ｎｍのＡｒイオンレーザーや波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーなどがある。また、近年半導体レーザーと非線形光学結晶とを組み合わせて３２０〜３６０ｎｍの近紫外線を作ることができる。いずれも連続光を安定に動作するレーザーであり、ＦＢＧ製造装置用として適している。
【００１５】
１本の光ファイバーの任意の場所に数百個のＦＢＧを自動的に書き込む場合、光ファイバーの目的の箇所に近紫外線を照射する必要がある。仮に１本の光ファイバーにＦＢＧを１０ｍの間隔で１００本製作する場合、１０時間以内に書き込みを完成させようとすると、一つのＦＢＧの製作時間が５分として全部で５００分（８時間２０分）かかるので、一つのＦＢＧを書き終わってから１０ｍ先の次のＦＢＧを書き込む場所に移動する時間は、１分以内に達成しなければならない。また、照射中に光ファイバーが動くと、周期的な屈折率増加領域を制度よく製造できなくなるため、照射中は光ファイバーを１００ｎｍ以下の精度で固定していなければならない。さらに、照射中には、光ファイバーは適当な張力で引っ張っている必要がある。これらのことを自動で行う装置と近紫外線レーザーを組み合わせて、ＦＢＧ自動連続製造装置を構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、近紫外線レーザーを用いることで、被覆上から光ファイバーにＦＢＧを書き込むことが可能で、その結果、振動の多い建築物や乗り物の歪みを計測するために用いられる数百個のＦＢＧセンサーを１本の光ファイバーに自動連続的に製造する装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を以下に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係るＦＢＧ製造装置の構成を模式的に示す説明図、図２はＦＢＧの透過スペクトルを示すグラフ、図３はゲルマニウムを添加した石英ガラスの吸収スペクトルを示すグラフ、図４は（ａ）は従来の（ｂ）は本発明のＦＢＧ製造方法を示す概念図、図５はＦＢＧの製造方法を模式的に示す側面図、図６はＦＢＧの構造を模式的に示す説明図である。
【実施例】
【００１８】
図１にＦＢＧ自動連続製造装置の構成を示す。装置は主にＦＢＧ書き込み用の近紫外線レーザー５と、光学ミラー６、光学レンズ３、アパーチャー４、位相マスク２等からなる照射光学系と光ファイバー１の自動送り装置７から構成されている。近紫外線レーザーには波長λ＝３２０〜３６０ｎｍの波長のレーザーを用いる。近紫外線を照射するレーザー装置としては、波長λ＝３３４ｎｍのＡｒイオンレーザーやλ＝３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーなどがある。また近年、半導体レーザーと非線形光学結晶とを組み合わせて３２０〜３６０ｎｍの近紫外線を作ることができる。出力は数百ｍＷ〜数Ｗ程度である。レーザーには連続光とパルス光があるが、被覆を傷つけない連続光を用いる。
【００１９】
照射光学系は位相マスク２と、光学レンズ３と、光学ミラー６の組み合わせから構成され、これらを介して光ファイバー１にレーザー光を照射し、そのコア１ａ部分にＦＢＧを書き込む。位相マスク２は近紫外線用に最適化された部品を用いる。光学レンズ３と光学ミラー２も近紫外線に最適化された部品を用いる。ＦＢＧの長手方向の屈折率変化は中心側が大きく、端が小さくなるようにする必要がある。そのため、光学レンズ３とアパーチャー４によってレーザー光の形状を整形している。
【００２０】
歪みを測定する構造物の大きさにもよるが、トンネルのような巨大構造物には、長さ１０Ｋｍ以上の光ファイバー１が必要となるため、使用する光ファイバー１の自動送り装置７は、それに対応できるものでなければならない。一本の光ファイバー１にＦＢＧを１０ｍ間隔で１００本製作する場合、１０時間以内に書き込みを完成させようとすると、一つのＦＢＧの製作時間が５分とみなして全部で５００分（８時間２０分）かかるので、一つのＦＢＧを書き終わってから１０ｍ先の次のＦＢＧを書き込む場所に移動する時間は、１分以内に達成しなければならない。すなわち、自動送り装置７の挿引速度は１０ｍ／ｍｉｎ以上であることが望ましい。
【００２１】
ＦＢＧセンサーを書き込む際には、長さ数キロメートルの光ファイバー１を自動送り装置７に装着する。そして、光ファイバー１を長手方向に挿引し、所定の場所で固定してから張力を加え、その状態で近紫外線５を照射する。その後、次の所定の場所まで挿引してから、同様の作業を繰り返す。光ファイバー１を長手方向に挿引する位置精度は±１ｃｍ以下、直径方向の位置精度は±５０μｍ以下であるのが好ましい。また、光ファイバー１を固定する治具は、光ファイバーを傷つけない仕組みが取り付けられたものが好ましい。尚、本装置では、光ファイバー１を挿引している間はレーザー照射しないように制御されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るＦＢＧ製造装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】ＦＢＧの透過スペクトルを示すグラフである。
【図３】ゲルマニウムを添加した石英ガラスの吸収スペクトルを示すグラフである。
【図４】（ａ）は従来の（ｂ）は本発明のＦＢＧ製造方法を示す概念図である。
【図５】ＦＢＧの製造方法を模式的に示す側面図である。
【図６】ＦＢＧの構造を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１      光ファイバー
１ａ    コア
２      位相マスク
３      光学レンズ
４      アパーチャー
５      レーザー装置（近紫外線）
６      光学ミラー
７      自動送り装置
【図１】
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【図２】
2007114534.tif 000004
【図３】
2007114534.tif 000005
【図４】
2007114534.tif 000006
【図５】
2007114534.tif 000007
【図６】
2007114534.tif 000008